基于振動檢測的海洋平臺結構安全快速評估方法

王巍巍，周 雷，周道成

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學，大連 116034)

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基于振動檢測的海洋平臺結構安全快速評估方法

王巍巍1，周 雷1，周道成2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學，大連 116034)

基于振動檢測數據識別結構模態參數，計算得到現役平臺結構與原始平臺結構廣義剛度的變化，實現對平臺結構快速安全評估，借鑒土木工程地震損傷評估的研究成果，建立安全等級劃分的標準，算例表明該方法可行，可實現利用振動檢測手段對在役海洋平臺結構進行快速安全檢杳。

振動檢測；參數識別；安全評估；置信度

近年來，隨著無線通信技術的發展，實踐中開始采用便攜式無損檢測技術，該技術采用觀測數據檢波器前置數字化后的無線通訊傳輸技術，不再使用測試信號有線傳輸線纜，同時根據振動測試的加速度信息，可以計算結構整體模態參數。但是，常規的振動檢測方法需要完備的測量數據并識別出完整的振型，這就增加了應用的難度，并且需要工程人員有較強的專業背景，不利于該方法的推廣。因此，提出一種直接基于振動檢測數據識別結構模態參數(振型和頻率)進行快速結構安全評估的方法[1-2]。

1 原理

平臺結構整體承載能力與結構整體剛度密切相關，當平臺結構局部出現損傷時，該平臺局部的結構剛度降低，引起平臺結構的整體剛度降低。基于振動檢測的平臺結構安全評估方法通過對平臺結構整體損傷指數的變化進行檢測，從而實現對平臺整體結構狀況的評估。

1.1 損傷指數定義及計算

在該方法中將損傷結構指數定義為：服役損傷平臺結構第n階振型廣義剛度與未損傷平臺結構第n階振型廣義剛度的變化率，也即是

(1)

式中：Kdn——損傷結構第n階振型廣義剛度；

Kfn——未損傷平臺結構第n階振型廣義剛度。

根據結構固有頻率計算原理，經整理可得

(2)

(3)

式中：ωdn，ωfn——損傷平臺結構和未損傷平臺結構的第n階結構固有頻率；

Mdn，Mfn——損傷結構和未損傷結構第n階振型對應的結構廣義質量。

(4)

(5)

式中：Md和Mf分別為損傷平臺結構和未損傷平臺結構的質量矩陣，可依據結構的設計、制造和安裝(DFI)數據，以及平臺服役過程中設備、結構變化(質量變化)數據建立平臺結構的有限元計算模型進行質量矩陣提取獲得；當使用過程沒有設備、結構變化(質量變化)，則Md和Mf相等；

當平臺結構完好沒有損傷時，Kdn和Kfn相等，平臺整體損傷指數等于零；當平臺結構損傷嚴重時，Kdn越小，平臺整體損傷指數越大；平臺結構整體承載能力與結構整體剛度密切相關，當平臺結構局部出現損傷時，則該局部的平臺結構剛度降低，從而平臺結構的整體剛度降低，因此，結構承載能力也降低，根據平臺結構整體損傷指數計算公式，可知結構整體剛度變化，則平臺結構整體損傷指數也隨之變化。

平臺結構固有頻率和振型都可以通過在平臺上布置加速度傳感器通過其測試數據識別獲得，所有涉及的中間參數都可以通過計算獲得。因此可以通過此步驟獲得平臺的損傷指數[3]。

1.2 具體步驟

第1步。建立未損傷結構的有限元模型，作為基準有限元結構模型。未損傷結構指剛投入運營時的平臺結構。理想狀態是根據設計完工資料進行建模，然后及時進行振動檢測，根據檢測結果對模型進行修正，得到接近真實的基準模型。

第3步。對服役損傷平臺結構的整體安全狀態進行評估。之前先根據計算模態置信度矩陣的方法確定最合適的振型用以評估，文中以第n階振型代替，確定后就可以計算損傷指數[4]。

2 評估等級標準

2.1 損傷平臺結構整體安全等級定性劃分標準

A級。平臺結構整體安全符合安全標準，結構基本完好，沒有損傷，即使有損傷也不影響整體承載力，可能有個別構件應采取措施。

B級。結構有輕微損傷，但這些損傷不顯著影響整體承載力，可能有極少數構件應采取措施。

C級。結構有中度損傷，顯著影響整體承載力，應采取措施，且可能有少數構件必須立即采取措施。

D級。結構有嚴重損傷，嚴重影響整體承載力，必須立即采取措施。

2.2 損傷平臺結構整體安全等級定量劃分標準

假設存在這樣一種結構體系,其具有的結構整體承載能力，也即是平臺整體損傷指數恰好剛剛能夠達到某一分級臨界標準值，例如，Ds0為A級與B級分級臨界標準值,則稱此結構為A級“理想臨界結構”。同樣,可以定義出B級和C級“理想臨界結構”。設平臺結構體系的儲備強度系數為Ds,而A級理想臨界結構的儲備強度系數為DsA,B級為DsB,C級為DsC,則平臺結構安全性的等級劃分標準列入表1。

表1 平臺結構體系安全分級標準

盡管海洋平臺結構地震損傷研究處于空白，但是建筑結構地震損傷已有大量研究，對不同地震損傷進行分級，提出地震損傷指數來定量的描述不同的地震損傷，將與之相關的研究結果列入表2。參考表2中的結果和基于體系可靠度的平臺結構整體安全等級劃分標準[5-9]，考慮基于振動檢測海洋平臺結構安全評定是為了確定是否進行定量檢測進行詳細安全評定的目的，確定平臺結構體系安全定量分級標準見表3。

她是你的煞星！你要做的，是將刀插入她的心臟！不能再繼續猶豫和顧慮，這只會讓你更加得軟弱，更加得無法握住刀柄！

表2 不同震害等級損傷指數取值范圍

表3 基于平臺整體損傷指數的結構體系安全分級標準

3 數值算例

3.1 基準模型

對JZ20-2MUQ平臺進行基于該方法的評估，該平臺四腿導管架平臺，上部組塊有4層，另外還有一個3層的生活樓，生活樓頂部為直升機甲板，見圖1。

圖1 JZ20-2MUQ平臺示意圖

利用大型有限元軟件Ansys建立基準有限元結構模型(見圖2)，并根據新建結構實測信息修正基準有限元結構模型作為未損傷結構的基準有限元結構模型。

根據模型提取結構的基準有限元結構模型以Kf和Mf表示，即未損傷結構的剛度矩陣Kf和未損傷結構的質量矩陣Mf，并計算基準有限元結構模型的第i階頻率和振型ωfi和φfi，前5階頻率和振型數據列入表4和表5。

圖2 有限元模型

表4 基準有限元模型計算的前5階模態頻率

表5 基準有限元結構模型提取的前5階振型模態階數

3.2 在役導管架平臺結構振動測試與模態參數識別

振動測試測點布置在平臺帶纜走道附近4個和底層甲板附近4個主樁腿節點上，總計8個測點位置，總共安裝8個傳感器，傳感器布置方案如圖3所示。

圖3 傳感器布置方案示意

本次現場振動測試共采集到大量數據用于結構模態計算分析，識別的前5階模態頻率和階數見表6、7。

表6 各段數據識別的前5階模態頻率 Hz

3.3 導管架平臺結構整體安全評估

應用已獲得的檢測信息識別的頻率和振型，基于測試測點對修正有限元模型進行相應自由度振型提取，見表4。根據測量識別振型和有限元模型提取振型計算模態置信度矩陣(見表8)可得第2階識別結果是最可信的振型。因此，采用結構第2階頻率和第2階振型來計算結構的整體損傷指數。基于測點信息對修正有限元模型進行相應自由度的縮聚，縮聚為8個節點24個自由度的結構，獲得24乘24階的質量矩陣。在此期間結構質量沒有明顯的變動，因此，采用相同的質量矩陣計算結構的整體損傷指數。根據前述方法計算該結構的整體損傷指數為0.033。根據基于平臺整體損傷指數的結構體系安全分級標準，可知結構平臺結構整體安全符合安全標準對A級的要求，結構基本完好，沒有損傷，即使可能有個別構件存在損傷也不影響整體承載力。根據局部定量檢測結果發現結構沒有發現損傷，與安全評估結果基本一致。

表7 識別的前5階振型模態階數

表8 模態置信度矩陣

4 結論

1)直接通過診斷振動檢測數據識別結構參數進行平臺結構的安全評定，克服了一般振動檢測損傷識別要求完整的振動及完備測量的缺點，對實際工程應用中環境激勵、噪聲影響等不敏感，原理簡單、計算快捷及實用性好，便于實際應用。

2)開創性的將在建筑結構地震損傷評定中采用的損傷指數判斷方法應用于海洋平臺結構的安全評定中，結合便攜式振動檢測儀系統的測量數據，使得對在役海洋平臺結構進行快速安全評估成為可能，豐富了平臺結構完整性評估和管理的方法，也可用于平臺結構的災后快速評估和診斷。

3)通過比較損傷結構廣義剛度矩陣和未損傷結構的廣義剛度矩陣得到的整體損傷指數，因此該方法在應用時需要有基準的有限元結構模型，建議平臺建設初期進行基線振動測量，為后期平臺采用該方法進行結構完整性評估和管理提供基礎數據。

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A Fast Structural Safety Assessment Method for Offshore Platform Based on Vibration Detection

WANG Wei-wei1, ZHOU lei1, ZHOU Dao-cheng2

(1.Offshore Oil Engineering Co. Ltd, Tianjin 300451, China;2.Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116034, China)

A fast structural safety assessment method for offshore fixed platform was set forth, which identifies structural modal parameters and calculates the difference of generalized stiffness matrix between the in-service structure and the original structure based on the vibration detection data directly. The earthquake damage assessment research achievements in civil engineering were consulted to create the grading standard of structural safety assessment. The numerical example proved the feasibility of this method. The presented method is able to use the vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structures.

vibration detection; parameter identify; safety assessment; degree of confidence

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.040

2016-03-02

中國海洋石油總公司科技項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2014-02)

王巍巍(1983—)，男，碩士生，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0161-05

修回日期：2016-03-18

研究方向:海洋工程結構設計及安全評估

E-mail:wangww@mail.cooec.com.cn